Конспект лекций по предмету "Концепция современного естествознания"

Узнать цену работы по вашей теме


Теория возникновения жизни на земле

Специфика и сущность понимания жизни уходят своими корнями в вечный философский спор о материи и сознании (духе) и даже превосходят его, так как жизнь есть всеединство, и рождается лишь во всеединстве первого и второго. В различные исторические периоды существовали разнообразные трактовки жизни, абсолютизирующие те или иные особенности живого и жизни вообще,- подходы от механистического и виталистического до кибернетического и информационного. В целом можно выделить шесть концепций, объясняющих происхождение жизни:
· креационизм - сотворение жизни Богом;
· концепция панспермии - внесение жизни из космоса;
· концепция стационарного состояния - идея вечности жизни;
· концепция многократного самозарождения живого из неживого;
· случайное однократное зарождение жизни;
· закономерное происхождение жизни путем биохимической эволюции.
С точки зрения экодинамической модели развития Земли, жизнь - это временная (в масштабах Вселенной) форма обмена веществ и энергии сглаживающая физико-химические противоречия эволюции внутренних, внешних и общепланетарных геосфер планеты. В этом смысле, возможно жизнь на других планетах существует совершенно в другом виде: жизнь при сверхвысоких температурах (плазма), аммиачная жизнь, электромагнитная жизнь и т.д. Для нас вышеприведенное определение жизни важно и приемлемо, так как позволяет понять, какие абиотические (небиологические, физико-химические) условия позволили появиться жизни на планете Земля. Прежде всего, отметим уникальные особенности Земли: расположение относительно Солнца, размеры, наличие сильного магнитного поля.
Ранняя Земля (начало процесса образования жизни - примерно 4,6 млрд. лет назад) была относительно холодным телом с разреженной восстановительной атмосферой, состоящей из смеси метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 10 мм рт. ст. Температура поверхности не превышала минус 50°С, то есть литосфера была покрыта слоем льда. Поток солнечного излучения, особенно его ультрафиолетовая часть, а также космические излучения приводили к ионизации атмосферы, и она находилась в так называемом состоянии холодной плазмы. В этом состоянии сосуществуют ионизированные атомы, ионы и электроны, однако их энергии достаточно малы. Подобную холодную плазму мы наблюдаем в газоразрядных трубках, лампах дневного света, бактерицидных лампах. Именно этот ионизированный газ и был основным источником энергии для начала химической эволюции органического вещества.
В ионизированном газе легко возбудить электрические разряды. Опыты подтвердили, что из достаточно простых соединений углерода, кислорода, азота и т.п. в условиях электрического разряда быстро образуется множество сложных органических соединений. Подобный процесс наблюдается и в космосе. Например, по оптическим спектрам в межзвездном пространстве обнаружены цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, метиловый и этиловый спирты и др. В некоторых метеоритах обнаружены жирные кислоты, сахара, аминокислоты.
Среди химических элементов в первую очередь использовался углерод, обладающий рядом свойств, делающих его незаменимым для образования живых систем. Прежде всего, углерод способен создавать разнообразные органические соединения, в том числе подвижные, низкоэлектропроводные цепные структуры. Наряду с углеродом к "кирпичикам" живого относятся кислород, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кислорода, углерода в ней 17%, водорода - 10, азота - 3%. Перечисленные элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Эти элементы, очевидно, поступили из космической пыли, которая являлась материалом для образования планет в Солнечной системе. Еще на стадии формирования планет возникли углеводороды, соединения азота, поэтому в первичной атмосфере планеты было много метана, аммиака, водяного пара и водорода. Они-то и стали сырьем для получения сложных органических веществ, входящих в состав живых белков и нуклеиновых кислот (аминокислот и нуклеотидов). Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом имеют хорошие каталитические, строительные, энергетические, информационные и иные свойства. Низкая температура поверхности Земли и малая энергия частиц создавали условия для длительного процесса полимеризации образовавшихся соединений. Рост массы этих полимеров приводил к их конденсации и выпадению на ледяной покров. Там они сохранялись "до лучших времен".
Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую деятельность. При этом очень важно, что масса планеты была не слишком большой, так как энергия атомного распада природных радиоактивных веществ могла привести к перегреву планеты или радиоактивному загрязнению среды, не совместимому с жизнью. Выделение газов уплотнило атмосферу, которая удерживалась Землей, что не могло бы случится, если бы она была слишком маленькой. Ее нижние слои перестали быть доступными для ионизирующего ультрафиолетового излучения и высокоэнергетических космических частиц. Повысилась температура поверхности планеты и образовались первичные водоемы.
В дальнейшем термический режим за счет взаимодействия геосферных оболочек, почти кругового движения Земли вокруг Солнца и относительно равномерного излучения Солнца стабилизировался в благоприятном диапазоне для физико-химической эволюционной самоорганизации поверхностного вещества планеты. В частности, это позволило воде как наиболее универсальному растворителю существовать в жидкофазном состоянии, что обеспечивало проявление ее главных свойств. Относительно высокая температура способствовала интенсивному растворению в воде неорганических веществ, особенно Н2, О2, СО2, NH3 и СН4. В древних породах Земли находят железо в двухвалентной восстановленной форме Fe2+, а в более молодых породах - в трехвалентной Fe3+, т.е. в окисленной. Это говорит о том, что примитивная атмосфера Земли была восстановительной, т.е. освобождающей кислород из кислородных соединений. Восстановителем был водород - главный элемент Вселенной. По оценкам, в первичной атмосфере Земли парциальное давление водорода составляло 0,002%. Это достаточно высокое значение, так как Земля по своим размерам не способна эффективно удерживать водород. Другими компонентами атмосферы были аммиак и вода. С течением времени среда из восстановительной превращалась в окислительную.
Наличие воды в двухфазном состоянии (жидкая и парообразная) привело к тому, что разность электрических потенциалов между поверхностью Земли и облаками была такова, что молнии по энергетике превышали современные в тысячи раз. В дополнении к этому наблюдались интенсивные электромагнитные явления, вызванные взаимодействием геосферных оболочек (в основном ядра и мантии). Образно Землю тех времен можно представить в виде стакана, в котором находится нагретая вода, перенасыщенная минеральными солями, а через раствор пропускают сильные электрические разряды. Снаружи помещен мощнейший магнит и насыщенная восстановительная атмосфера, облучаемая ультрафиолетом. Любой человек, изучавший химию, должен понять, что такое положение достаточно благоприятно для многочисленных химических реакций, которые приводят к интенсивному образованию и распаду различных веществ.
Все эти и некоторые другие абиотические факторы среды привели к так называемому абиогенному синтезу. Теория происхождения первых живых существ из неживой материи была выдвинута Порлюгером, Дж. Холдейном, Р. Бейтнером, но особенно детально она разработана советским биохимиком академиком А. И. Опариным в его книге "Возникновение жизни" (1936).
С повышением молекулярного веса отдельные органические вещества концентрировались у дна водоемов и на поверхности раздела других сред. В условиях повышенной концентрации процессы синтеза могли преобладать над распадом, что привело к постоянному существованию первичных полимеров, например, полипептидов и полинуклеотидов. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали "бульоном", преимущественно из макромолекул на основе углеводородных цепочек. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложную пространственную конфигурацию. Они окружены водной оболочкой и объединяются, образуя высокомолекулярные комплексы - коацерваты, или коацерватные капли (А. И. Опарин). Например, как показали эксперименты, в процессе размораживания липиды претерпевают самосборку, образуя в водоеме стабильные микросферы диаметром от 10 до 50 мкм (коацерваты).
Крупные коацерваты обладали способностью поглощать различные, более мелкие вещества, растворенные в водах первичного океана (протопитание). В результате этого внутреннее строение коацервата изменялось, что вело или к его распаду по достижении критической массы, или к накоплению веществ за счет образования устойчивых структур (например, белки линейного строения способны сворачиваться в клубок или глобулу). Это уже протоаналоги роста (усложнение структуры) и размножения (распад на части). Академик Б. С. Соколов по этому поводу сказал следующее: "Путь, который прошел органический мир от бактерии до нас с вами, более прост, чем путь, который связал сложные, но предбиологические молекулы с биологической эволюцией".
В миллиардах комбинаций состава коацерватных капель происходил отбор наиболее устойчивых в данных конкретных условиях. Достигнув определенных размеров, какая-либо материнская коацерватная капля могла распадаться на дочерние. Продолжали существовать только те дочерние коацерватные капли, которые, вступая в элементарные формы обмена со средой, сохраняли относительное постоянство своего состава. В дальнейшем они приобрели способность поглощать из окружающей среды не всякие вещества, а лишь те, которые обеспечивали их устойчивость, а также выделять наружу продукты обмена.
Параллельно увеличивались различия между химическим составом капли и составом окружающей среды. В процессе длительного отбора сохранились лишь те коацерваты, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей структуры, т.е. приобретали свойство самовоспроизведения. В ходе эволюции у важнейших составных частей коацерватных капель - полипептидов - выработалась способность к каталитической активности, т.е. к значительному ускорению биохимических реакций, приводящих к превращению органических соединений. Полинуклеотиды оказались способными связываться друг с другом по принципу дополнения (комплиментарности) и, следовательно, осуществлять неферментативный синтез дочерних полинуклеотидных цепей.
Следующий важный шаг предбиологической эволюции - объединение способности полинуклеотидов к самовоспроизведению с возможностью полипептидов ускорять течение химических реакций, так как удвоение молекул ДНК эффективнее осуществляется при участии белков, обладающих каталитической активностью. Однако стабильность "удачных" комбинаций аминокислот в полипептидах может обеспечиваться только при сохранении информации о них в нуклеиновых кислотах. Связь нуклеиновых кислот и белковых молекул в конце концов привела к возникновению генетического кода, т.е. такой организации молекул ДНК, в которой последовательность нуклеотидов стала служить информацией для построения конкретной последовательности аминокислот в белках.
Такая последовательность молекулярной эволюции поддерживается далеко не всеми. Дело в том, что для саморепродукции нуклеиновых кислот - основы генетического кода - необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Первенство происхождения тех или других отражено в концепциях голобиоза и генобиоза.
Дальнейшая прогрессивная эволюция предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных процессов и пространственном разделении различных синтетических и энергетических процессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий по сравнению с той, которую обеспечивала водная оболочка, могла осуществить лишь биологическая мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделивших коацерваты от окружающей водной среды. В процессе эволюции липиды вошли в состав наружной мембраны, значительно повысившую жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны, отделяющей содержимое коацервата от окружающей среды и обладающей способностью к избирательной проницаемости, предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития все более совершенных саморегулирующихся систем вплоть до возникновения первых клеток. По версии С. Н. Виноградского, уже на первых этапах жизни "первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием и наличием биоценозов".
Подводя итоги, отметим, что первичные организмы, возникшие на Земле более 4 млрд. лет назад, обладали следующими свойствами:
· они были гетеротрофными организмами, то есть питались готовыми органическими соединениями, накопленными на этапе космической эволюции Земли;
· они были прокариотами - организмами, лишенными оформленного ядра;
· они были анаэробными организмами, использующими в качестве источника энергии дрожжевое брожение;
· они появились в виде первичной биосферы, состоящей из биоценозов, включающих различные виды одноклеточных организмов;
· они долгое время существовали только в водах первичного океана.
Далеко не все согласны с подобной моделью появления жизни на Земле. Распространены и теории внеземного происхождения жизни (теории панспермии, стационарного состояния). Наиболее ярым сторонником этой идеи был В. И. Вернадский. Он отмечал космический характер жизни, веря в ее вечность и, возможно, даже считая ее первопричиной развития мира. Он ввел понятие "живого вещества", которое в отличие от косного всегда оптически активно. Именно "живое вещество" является носителем и создателем свободной энергии в таком масштабе, что она охватывает всю биосферу и определяет в основном всю ее историю. "Материя непрерывно перемешивается: одни ее части уходят в солнца, а другие выходят из них. Всякой капле вещества, где бы она ни находилась, неизбежно придет очередь жить",- писал К. Э. Циолковский. Космическое явление жизни в его теории постоянно распространяется и меняется, не ограничиваясь пределами Земли.
Резюме:
1. возможно, что жизнь (не обязательно биологическая) - характерный этап развития, по крайней мере, некоторых планет;
2. образование жизни на Земле было обеспечено ходом эволюционного отбора планет Солнечной системы (размеры и расположение планеты) и эволюцией геосферных оболочек, начиная с ее радиоактивного разогрева;
3. решающее значение имели: продолжительность процесса, оптимальный диапазон температур, наличие воды в жидкой и газовой фазах, присутствие достаточного объема минеральных элементов среды, электрические разряды, магнитное поле и насыщенная восстановительная атмосфера (без кислорода), облучаемая ультрафиолетом;
4. парадоксальным образом достижения современного естествознания во многом усложнили проблему появления жизни.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный конспект лекций Вы можете использовать для создания шпаргалок и подготовки к экзаменам.

Доработать Узнать цену работы по вашей теме
Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме:

Пишем конспект самостоятельно:
! Как написать конспект Как правильно подойти к написанию чтобы быстро и информативно все зафиксировать.

Другие популярные конспекты:

Конспект Основные проблемы и этапы развития средневековой философии
Конспект Проблема познаваемости мира. Гносеологический оптимизм, скептицизм, агностицизм. Взаимосвязь субъекта и объекта познания
Конспект Понятие финансовой устойчивости организации
Конспект Внутренняя политика первых Романовых.
Конспект ПРОБЛЕМЫ КВАЛИФИКАЦИИ ПРЕСТУПЛЕНИЙ
Конспект Понятие мировоззрения, его уровни и структура. Исторические типы мировоззрения
Конспект Синтагматические, парадигматические и иерархические отношения в языке
Конспект Тема 1.2. Плоская система сходящихся сил. Определение равнодействующей геометрическим способом 13
Конспект Происхождение человека. Основные концепции антропосоциогенеза. Антропогенез и культурогенез.
Конспект Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации